12.07.2017
ForschungUmwelt

Entwicklung biobasierter Hotmelt-Klebstoffe

Anwendung in Papier- und Kartonverpackungen

  • Abb. 1: Schema zur Entwicklung von biobasierten Hotmelt-Klebstoffen.Abb. 1: Schema zur Entwicklung von biobasierten Hotmelt-Klebstoffen.
  • Abb. 1: Schema zur Entwicklung von biobasierten Hotmelt-Klebstoffen.
  • Abb. 2: Rheologie der im Labor hergestellten TPS-Proben.
  • Abb. 3: Rheologische Messung eines Produktes auf Dextrin-Basis (links), geöffnetes Rheometer mit Hotmelt-Klebstoff (rechts).
  • Abb. 4: Schematische Darstellung der Klebkraftprüfung.
Stärkebasierte Hotmelt-Klebstoffe sollen im Rahmen eines Projektes, gefördert durch die Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V., bis zur Marktfähigkeit entwickelt werden. Die Bewertung der Hotmelt-Klebstoffe soll dabei über die Verfügbarkeit und die Kosten der Rohstoffe, deren Verarbeitungseigenschaften und Klebkraft sowie die Alterung und Rezyklierbarkeit der verarbeiteten Produkte erfolgen.
 
Einleitung
 
Der Verpackungsmarkt nicht nur in Deutschland ist ein stetig wachsender Markt, in dem Papierprodukte eine zentrale Rolle spielen. Zunehmend erfüllen diese den Anspruch, eine ökologisch sinnvolle Alternative zu Kunststoffverpackungen zu sein. Einen solchen Anspruch könnten sie künftig unterstreichen, wenn auch die in ihrem Herstellprozess in großen Umfang eingesetzten, meist unverzichtbaren Klebstoffe auf nachwachsenden Rohstoffen basieren.
 
Seit der Entwicklung thermoplastischer Stärke (TPS) gibt es Bestrebungen, Stärke und kohlehydratbasierte Polymere für Hotmelt-Klebstoffe zu verwenden. Solche Produkte sind in zahlreichen Veröffentlichungen und Patenten beschrieben. Sie haben den Markteintritt jedoch bis heute nicht geschafft. 
 
Entwicklung der Bio-Compounds
 
In Abbildung 1 ist dargestellt, welche Materialien in die Versuche für einen leistungsfähigen Hotmelt-Klebstoff eingesetzt werden, um eine homogene Mischung, schmelzbare Eigenschaften und eine ausreichende Klebkraft sowie eine entsprechende Schnelligkeit für die Verklebung zu erhalten. Dabei erfolgt die Entwicklung der Bio-Compounds in unserem Vorhaben auf zwei Wegen:
 
Herstellung im Messkneter als Modellsystem für eine spätere Extrusion und in Laborversuchen, Entwicklung von Bio-Compounds auf Basis von thermoplastischer Stärke unter Zugabe von speziellen Co-Komponenten (Additiven); 
 
als alternative Herangehensweise: Herstellung von Bio-Compounds auf Basis von modifizierter Stärke und Dextrin unter Zugabe von Co-Komponenten über ein wässriges Mehrphasensystem mit geringem Wassergehalt und anschließender Trocknung. 
 
Herstellung von biobasierten Hotmelt-Klebstoffen
 
Die Versuche zur Herstellung von biobasierten Hotmelt-Klebstoffen erfolgten im ersten Arbeitsweg in einem diskontinuierlich arbeitenden HAAKE PolyDrive Messkneter.

Thermoplastische Stärke wurde mit Co-Komponenten verarbeitet, wobei der Füllgrad und die Zugabemenge an Co-Komponenten sowie die Verarbeitungstemperatur und die Verarbeitungszeit variiert wurden. Die Produkte wurden hinsichtlich der rheologischen und auch deren Klebeeigenschaften beurteilt. Für einen Einsatz als Hotmelt-Klebstoff waren bisher alle Produkte aufgrund der zu hohen Schmelzviskosität nicht geeignet. Selbst die Zugabe spezieller Additive und Phasenvermittler führte nicht zu einem technologisch relevanten, niedrigviskosen Hotmelt-Klebstoff, auch wenn die Klebeeigenschaften der Produkte größtenteils als sehr gut eingeschätzt wurden.

 
In den Laborversuchen wurden Produkte aus thermoplastischer Stärke mit verschiedenen Additiven hergestellt. Die Proben mit guten Klebeeigenschaften wurden weiterführend rheologisch untersucht.
 
In Abbildung 2 ist das rheologische Verhalten der im Labor hergestellten TPS-Proben an ausgewählten Beispielen dargestellt. Gut zu erkennen ist, dass die Viskosität der TPS-Proben durch Zugabe von Additiven im Vergleich zum Ausgangsprodukt TPS gesenkt werden kann. Hotmelt-Viskositäten unter 10 Pa.s sind für kommerzielle Klebepistolen üblich. Solch niedrigviskose Hotmelt-Produkte konnten im Laborversuch hergestellt werden, jedoch muss deren Reproduzierbarkeit auf dem Messkneter und folgend auf einem kontinuierlich arbeitenden Extruder noch getestet werden.
 
Auf dem alternativen Arbeitsweg wurde die Entwicklung von Bio-Compounds über wässrige Suspensionen der Naturstoffe und anschließende Trocknung erprobt. Als Basis wurden Dextrine, Stärke und Gummiarabikum verwendet. Als Additive wurden beispielsweise Kolophonium, Chitosan und Leinöl zugesetzt. Der Wassergehalt dieser Produkte beträgt durchschnittlich 5 bis 8 %. Eine Fokussierung auf 2 bis 3 Produkte sowie die Übertragung der Ergebnisse auf den Messkneter und folgend auf einen Extruder ist für die Zukunft geplant. Auch von diesen Bio-Compounds wurden die rheologischen und die Klebeeigenschaften getestet. Die Klebrigkeit auf verschiedenen Papier- und Kartonagenoberflächen/Modellpappen blieb auch nach einer längeren Temperatureinwirkung von 80-90 °C gut erhalten.
 
Die Produkte auf Dextrin-Basis zeigen bisher die besten Ergebnisse. Alle Produkte dieses zweiten Arbeitsweges können aufgrund des Wassergehalts nur unter 100 °C verwendet werden, da sonst das Wasser entweicht und die Klebstoffe verspröden. Außerdem sind die erreichten Schmelzviskositäten teilweise noch zu hoch im Vergleich mit kommerziellen Hotmelts (Abb. 3). 
 
Klebkraftprüfung
 
Die Klebkraftprüfung der Produkte erfolgte händisch, da eine Überführung der Klebstoffe in herkömmliche Klebepistolen bisher noch nicht möglich war. Die Verklebung wurde visuell nach 5 s, 30 s und 24 h bewertet. Schon nach 5 Sekunden zeigten einzelne Kleber, dass die Klebkraft so hoch war, dass ein Faserriss eintrat. Nach 24 Stunden kam es bei allen untersuchten Proben zum Faserriss.
 
Eine normierte Methode zur Hotmelt-Klebkraftprüfung mit definiertem Auftrag und definierter Kraftaufnahme ist noch in der Entwicklung. Eine DIN-Vorschrift für die Beurteilung von Hotmelt-Klebstoffen gibt es nicht. 
 
Ausblick
 
Das Forschungsvorhaben hat zum Ziel, stärkebasierte Hotmelt-Klebstoffe bis zur Marktfähigkeit für Faltschachtel- bzw. Wellpappenverpackungen zu entwickeln. Weiterführend sollen die Materialien hinsichtlich Verfügbarkeit, Kosten, Verarbeitungseigenschaften, Klebkraft, Alterung und Rezyklierbarkeit der verarbeiteten Produkte bewertet und zur Anwendung gebracht werden.
 
Technologien zur Herstellung von thermoplastischer Stärke sind in der einschlägigen Literatur zahlreich beschrieben. Diese TPS in einen marktfähigen Hotmelt-Klebstoff auf der Basis nachwachsender Rohstoffe zu überführen, ist der innovative Beitrag dieses Forschungsvorhabens, in das das beteiligte Industriekonsortium beratend seine Kompetenzen aus den Bereichen Rohstoffe, Klebstoffformulierung, Verarbeitungstechnologie und Anwendung einbringt.
 
Danksagung
 
Wir danken der Fachagentur Nachwachsende Rohstoffe e.V. für die Förderung der gemeinsamen Projektarbeiten der PTS Heidenau und des IPF Dresden.
 
Autoren
S. Haufe1, W. Butwilowski1, S. Schwarz1, D. Lehmann1, B. Kießler2, B. Poppitz2
 
Zugehörigkeit
1Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V.
2Papiertechnische Stiftung Heidenau (PTS)
 
Kontakt  
Simona Schwarz
Leibniz-Institut für Polymerforschung Dresden e.V.
simsch@ipfdd.de
 
 
 

 

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